漫反射光谱学和荧光光谱学在肺癌鉴别中的应用

组织活检用于确保准确诊断肺部的癌变组织和随后的治疗计划。然而，大量经胸活检分析肺部病变给出不确定的结果。荷兰Antoni van Leeuwenhoek医院的一个小组正在使用生物光子技术[1]来解决这个问题，即漫反射光谱(DRS)和荧光光谱(FS)，以评估如何提高诊断程序的准确性。Spliethoff等人[1,2]在《肺癌》杂志上报道了他们的原型仪器设计和测试，用于将这些基于光子的模式添加到标准组织病理学技术中，并证明了它们对最终诊断的益处。

肺针活组织检查是放射科医生用长而窄的孔抽出针取出一小块肺组织进行检查的过程，取出的针插入胸腔，指向要检查的组织病变[3]。通过实时计算机断层扫描(CT)成像，可以将针尖引导到正确的位置。当活检通过胸壁进行时，称为经胸肺活检或经胸针活检(TNB)。然后，放射科医生使用组织病理学的金标准技术对切除的组织进行分析，组织切片用标准苏木精/伊红(H&E)技术进行染色，以显示组织不同成分的对比。

Spliethoff和他的同事们的动机是评估在活检针尖处加入光谱学是否能够实时提高肺活检诊断的准确性。这种额外的信息收集方式有助于解决相对较高水平(约23%)的此类活检[4]失败率。

建立了一个便携式光谱系统，对从一系列诊断为该病的患者的肺病变中新鲜切除的组织进行体外漫反射光谱(DSR)和荧光光谱(FS)。光学系统的示意图如图1所示。该系统包含两个光谱仪(2x Shamrock SR163)和两个探测器，一个用于可见光到近红外(NIR)区域，覆盖400到1100 nm (Andor iDus - DU420A-BRDD)，另一个覆盖900到1700 nm (Andor iDus DU492A-1.7)。由四根光纤组成的光纤探头将光源的光传送到样品，并采集DRS和FS信号传送到光谱仪。使用了两个光源，一个宽带(360-2500 nm)的钨卤灯用于DSR测量，一个二极管激光器(波长377 nm)用于在FS测量中激发组织内的自荧光物种。一根单独的光纤将每个光源与样品耦合，并将可测量的信号与每个光谱仪耦合。取样组织的光纤探针系统的末端被放置在距离被测试组织很短的距离-通常小于2毫米。

为了系统的集成、控制和数据采集，开发了一个定制的Labview程序(国家仪器)。在每个样本内的多个点进行测量。通过两个光谱仪和两个检测器的组合，可以捕获从400 nm到1600 nm的整个范围内的DRS光谱数据。FS数据仅在400 ~ 800 nm区域由深耗尽背光(DU420A-BRDD)探测器捕获。光学测量完成后，在不知道光学数据结果的情况下，病理医生将样品进行组织病理学检查并进行分类。

健康组织和癌变组织的典型DRS光谱分别如图2(C)和2(D)所示。感兴趣的主要光谱特征受到与正常组织的含氧和脱氧血红蛋白的发色团在可见光范围(400-800 nm)的吸收以及水、胶原蛋白和脂肪的近红外范围(900-1600 nm)的主要吸收物有关的吸收的影响。当考虑漫射散射时，主要是Mie和Rayleigh(弹性)散射。米氏散射发生在光与波长相当的粒子相互作用时，而瑞利散射发生在光与波长比入射光小得多的粒子相互作用时。由散射得到的主要特征参数为:

• 在800 nm处的简化散射，
• Mie散射与组织总散射的比较。

认为总散射主要由Mie散射光和瑞利散射光组成。

考虑吸收系数、折算散射系数以及从探针纤维出口面到样品组织的距离等参数，使用验证的DRS分析模型[5]拟合光谱与实测的DRS光谱。图2(C)和图2(D)中包含了适合典型的DRS频谱。

同样地，建立了FS分析模型来分析捕获的荧光光谱。首先对FS光谱进行散射和吸收校正。利用胶原蛋白、弹性蛋白、FAD和NADH的固有荧光光谱(激发波长为377 nm)，用模型推导的光谱拟合修正后的光谱。健康组织和肿瘤组织的典型FS谱分别如图2(E)和2(F)所示，也包括由FS分析模型得到的相应拟合。FS结果在区分坏死组织和非坏死组织方面特别有用。坏死组织是由细胞外部因素如感染、毒素或创伤所引起的局部区域的死亡或死亡细胞组成。

所谓的光学还原-氧化(氧化还原)比率可以提供细胞代谢状态的量度。Spliethoff等人将其定义为NADH与NADH+FAD的比值。NADH代表氢化烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，是存在于所有活细胞中的大分子;在化学上它可以作为还原剂。FAD是黄素腺嘌呤二核苷酸的缩写，也是存在于所有活细胞中的大分子。这两种化学物质在细胞的潜在代谢过程中发挥着重要作用。

Spliethoff等利用光谱数据导出的参数(组织组成、生理特征和代谢活性)，使用分类和回归树(CART)算法。能够对不同的组织类型进行分类。与组织病理学的金标准相比，他们的光学技术可以确定其分类的特异性和敏感性。

所有DRS数据对肺实质和肿瘤组织的鉴别灵敏度为98%，特异性为86%。使用FS参数，他们以91%的灵敏度和91%的特异性对坏死组织和非坏死组织进行了区分。

该小组的工作清楚地表明，DRS光谱可以为恶性肺组织提供准确的实时诊断，并进一步展示了FS光谱如何用于鉴别坏死组织。这突出了光学技术在未来提高各种活检程序诊断质量的潜力。

确认:图2转载自《肺癌》杂志，80，(2013)。

引用:

1. Spliethoff JW, Evers DJ, Klomp HM, van Sandick JW, Wouters MW, Nachabe R, Lucassen GW, Hendriks BHW, Wesseling J, Ruers TJM，“利用漫反射和荧光光谱技术改进周围性肺肿瘤的识别”，肺癌，80,pp165 - 171 (2013)
2. www.youtube.com/watch%3Fv%3DabvYaB2VcmI，www.nlm.nih.gov medlineplus /百科全书/文章/ 003860. htm
3. 陈建平，陈建平，“ct引导下细针穿刺活检诊断肺部病变的准确性及并发症发生率”，中华放射学杂志，51,pp527-33 (2010)
4. 陈建平，“基于空间分辨的稳态漫反射扩散理论模型及其在体组织光学特性的非损伤性测定”，《物理学报》，19,pp879-88(1992)